JP5872045B2 - 発光ダイオードチップ - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードチップに関している。

この特許出願は、独国特許出願第１０ ２０１１ １１２ ０００．２の優先権を主張し、その開示内容は参照により本願明細書に組み込まれる。

国際公開第２００８／１３１７３５号公報からは、第１及び第２の電気的接続層が、ビーム出射面とは反対側の半導体チップ裏面側に配置され、かつ分離層によって、相互に電気的に絶縁されており、前記第２の電気的接続層の部分領域が裏面側から活性層の貫通孔部を通って発光ダイオードチップの正面に向かう方向に延在している、発光ダイオードチップが公知である。この種の半導体チップの接触接続は、ビーム出射面が接触面によって覆われないため、放射ビームが暗くならないという利点を有する。

ここでの発光ダイオードチップは、いわゆる薄膜発光ダイオードチップであり、そこでは半導体層列の元の成長基板が除去され、それに代えて半導体層列が元の成長基板の対向側においてはんだ層を用いて支持体と接合されている。このような薄膜発光チップでは、有利には、半導体層列の支持体側が反射層を備え、それによって、支持体方向に放射されたビームをビーム出射面方向に方向転換させ、それによって放射効率を増加させている。

可視スペクトル領域に対して特に銀は、反射層の材料に適している。この銀は、可視スペクトル領域における高い反射性の点で優れており、半導体材料との良好な電気的接触接続の形成に適している。その一方で、この銀は腐食しやすい特性を持ち、隣接する層において銀のマイグレーションを引き起こす可能性がある。

銀からなる反射層を腐食から保護するために、通常は保護層が銀層の上に被着される。この保護層として例えば白金層が適している。しかしながら、白金は、層被着のための典型的なプロセス温度のもとで銀層内に浸透し、それどころか反射層と半導体層との間で反対側の界面まで到達しかねないことがわかった。それにより、反射層と半導体層列との間の界面の反射が損なわれる可能性があり、このことは、光出射と発光ダイオードチップの効率を低減させる結果に結びつく。さらに、半導体層列と反射層との間の界面に対する白金の拡散によって電気的な特性も変動しかねない。

本発明の課題は、保護層によって腐食から保護され、銀層と半導体層列との間の界面の電気的特性が損なわれることのない、裏面側反射層を備えた発光ダイオードチップを提供することである。

前記課題は、独立請求項１に記載の発光ダイオードチップによって達成される。本発明の有利な実施形態及びさらなる発展形態は、従属請求項の態様である。

本発明の実施形態によれば、発光ダイオードチップが電磁ビームの生成に適した活性層を有する半導体層配列を含んでいる。この発光ダイオードチップは、前面側にビーム出射面を有しており、該ビーム出射面を通って、前記活性層から放射された電磁ビームが半導体層列から出射している。ここで前記発光ダイオードチップの前面側とは、以下では、発光ダイオードチップのビーム出射面が配置されている側と理解されたい。

このビーム出射面に対向している裏面側では、発光ダイオードチップは、少なくとも領域毎に反射層を有しており、該反射層は銀を含有しているか、有利には銀からなっている。

前記反射層には、保護層が反射層の腐食の低減のために設けられている。この保護層は有利には、透明導電性酸化物（ＴＣＯ−透過導電性酸化物）を含むか又は透明導電性酸化物からなっている。ここでは、透明導電性酸化物が周辺環境の影響から、及び／又は隣接する層の成分の拡散から、反射層を保護するのに特に良好に適していることがわかった。但しこの場合の透明導電性酸化物の材料成分は、反射層内へは拡散せず、とりわけ反射層を貫通して、保護層とは反対側の反射層と半導体層列との間の界面まで拡散することはない。それ故有利には、反射層内には保護層材料が何も含まれない。

それにより、反射層と半導体層列との間の界面の光学的及び電気的特性は、当該界面にまで至っていた保護層材料成分の拡散によって損なわれるようなことがなくなる。特に、銀からなる反射層と半導体層列との間の界面における高い反射率は低減されない。

透明導電性酸化物からなる保護層は、有利には、発光ダイオードチップの裏面側にある保護層に続く層内、例えば電気的なコンタクト層内への反射層からの銀の拡散も阻止する。

前記透明導電性酸化物の材料は、有利には、高い導電率に関して選択されるか、及び／又は、最適化される。このことは、保護層が、有利には半導体層列に対向している反射層に設けられていることに基づいている。この理由から、前記透明導電性酸化物の材料は、高い透過性を有している必要はない。特に、前記透明導電性酸化物の導電性は、ドーパントの添加により向上させることが可能である。

前記保護層とは反対側の反射層界面は、有利には半導体層列に当接している。この半導体層列と反射体層との間には、例えば接着剤層のような中間層は何も配置されていない。この中間層は、反射層と半導体層列との間の界面における反射率の低減を引き起こし得る。前記反射層は、特に半導体層列のｐ型半導体領域に接していてもよい。

有利な実施形態によれば、前記透明導電性酸化物は、好ましくは酸化亜鉛（ＺｎＯ）、より好ましくはドープされた亜鉛酸化物、例えばＺｎＯ：ＡｌまたはＺｎＯ：Ｇａを有していてもよい。さらに好ましい実施形態によれば、前記透明導電性酸化物は、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）、又はインジウムガリウム亜鉛酸化物（ＩＧＺＯ）である。これらの透明導電性酸化物は、特に良好な導電率によって特徴付けられる。

前記保護層は、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍの間の厚さ、より好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有する。

別の好ましい実施形態によれば、前記反射層及び／又は保護層の側縁が、電気絶縁層によって覆われている。この電気絶縁層により、前記反射層と保護層の側縁は横方向で隣接する層から電気的に絶縁される。さらに前記電気絶縁層によって、とりわけ反射層の側縁が腐食から保護される。

前記電気絶縁層は、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素又は酸窒化ケイ素を有する。特に好ましくは、電気絶縁層は、ＳｉＯ₂層である。

さらに好ましい実施形態によれば、前記保護層の前記反射層とは反対側に第１の電気的接続層が配置される。この第１の電気的接続層は、有利には電流をできるだけ均等に半導体層列に流すために、良好な導電性を有する少なくとも１つの材料から形成されている。それにより、前記第１の電気的接続層は、電流拡散層としても機能する。この第１の電気的接続層は、発光ダイオードチップの電気的接点の１つに導電的に接続されている。

前記第１の電気的接続層は、好ましくは複数の部分層から形成され、この場合これらの部分層は反射層から出発して有利には、白金層、金層、及びチタン層を含んでいる。このケースでは、白金からなる部分層は、有利には拡散バリアとして機能する。この拡散バリアは、後続する層の成分の保護層又は反射層への拡散と、その逆の拡散とを防止している。金からなる部分層は、高い導電性に基づいて電流拡散層として機能し、後続の部分層は、さらなる後続層のための接着剤層として機能する。

前記発光ダイオードチップは、有利には反射層から見て特に半導体層列とは反対側が支持体に接続される。この支持体は、特に半導体層列の成長基板とは異なる基板であり、この基板は、例えばはんだ層を用いて半導体層配列に接続されている。

前記半導体層列のエピタキシャル成長に用いられる成長基板は好ましくは発光ダイオードチップによって置き換わる。従って発光ダイオードチップは、有利には成長基板を何も有さない。成長基板は発光ダイオードチップによって置き換わり、支持体方向に放射されるビームは、反射層を用いてビーム出射面の方向に反射されるため、当該発光ダイオードチップは、非常に高い効率を得ることができる。

好ましい実施形態によれば、前記発光ダイオードチップは、第１及び第２の電気的接続層を有しており、前記第１及び第２の電気的接続層は、半導体層列の裏面側に配向され、電気的絶縁層を用いて相互に電気的に絶縁されている。この場合前記第２の電気的接続層の部分領域は、半導体層列の裏面側から、活性層の少なくとも１つの貫通孔部を通って前面側の方向へ延在する。したがってこの実施形態では、有利には２つの電気的接続層が発光ダイオードチップの裏面側に配置される。このことは特に利点となる。なぜなら発光ダイオードチップのビーム出射面が接続コンタクトから開放され得るからである。前記第１及び第２の接続層を相互に電気的に絶縁する電気的絶縁層は、前記反射層及び／又は保護層の側縁を覆い、そのようにして外的影響から当該の層を保護するのにも用いられる。前記電気的絶縁層は、有利には酸化物または窒化物、例えば酸化ケイ素、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素を含む。

以下では本発明を、図１に関連する実施例に基づいてより詳細に説明する。

本発明の実施形態による発光ダイオードチップの概略的な横断面図

図示の構成要素並びにそれらの構成要素の縮尺は異なっており、必ずしも縮尺通りというわけではない。

実施例の説明
図１に示されている発光ダイオードチップ１は、半導体層列２を備え、該半導体層列２は、電磁ビーム１３の放射のために設けられた活性層３を有している。

前記発光ダイオードチップ１の活性層３は、例えばｐｎ接合部として、ダブルへテロ構造部として、単一量子井戸構造部として、あるいは多重量子井戸構造部として、構成されていてもよい。この量子井戸構造部との記載には、電荷担体がそれぞれ閉じ込め（Confinement）によってそのエネルギー状態の量子化を被る構造を含ませてある。但しこの量子井戸構造部との記載には、量子化の次元に関する意味は含んでいないので、特に量子井戸、量子細線、量子ドット、及びそれらの構造の任意の組み合せが含まれる。

前記半導体層列２は、特に、窒化物系化合物半導体をベースにすることが可能である。「窒化物系化合物半導体をベースにする」とは、本願との関連においては、半導体層列２又はその少なくとも１つの層が、ＩＩＩ族窒化物系化合物半導体材料、有利にはＩｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ、但し０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１である、を含むことを意味する。なおこれらの材料は、必ずしも上記式による数学的に正確な組成比を有する必要はない。それどころかそれらは、上記Ｉｎ_xＡｌ_yＧａ_1-x-yＮ材料の化学的物理的特性を実質的に変えるものではない１つ以上のドーパントや付加的成分を有していてもよい。しかしながら簡単にするために、それらの一部が少量の他の物質によって置き換え可能な場合であっても、上記式には、結晶格子（Ｉｎ，Ａｌ，Ｇａ，Ｎ）の主要成分のみが含まれるものとする。

前記発光ダイオードチップ１は、当該発光ダイオードチップ１の前面側に配置されているビーム出射面４から電磁ビーム１３を放射する。このビーム出射面４は、ビーム放射を向上させるような粗面化構造または出力構造を備えていてもよい（図示せず）。

前記発光ダイオードチップ１は、いわゆる薄膜発光ダイオードチップである。薄膜発光ダイオードチップの場合、半導体層列２の元の成長基板は、発光ダイオードチップ１によって置換され、成長基板に代わって発光ダイオードチップ１が、元の成長基板とは反対側ではんだ層１８を用いて支持体１９と接合される。この元の成長基板は、特に、ビーム出射面４として機能する半導体層列２の表面と置き換えてもよい。それによりこの発光ダイオードチップ１では、通常はｎ型半導体領域２ａが最初にビーム出射面４に向かって成長基板上で成長し、半導体層列２のｐ型半導体領域２ｂは、支持体１９に向かって成長する。この支持体１９は、例えばゲルマニウム若しくはケイ素を含んでいてもよい。

発光ダイオードチップ１の発光効率を向上させるために、発光ダイオードチップ１は、ビーム出射面４とは反対側の裏面領域にミラー層ないし反射層５を領域毎に有している。これらの反射層５は、ｐ型半導体領域２ｂと、発光ダイオードチップの第１の電気的接続層１０との間に配置されている。前記反射層５によって有利には、活性層３から支持体１９方向に放射されたビームがビーム出射面４の方向に反射される。

前記反射層５は、有利には、銀を含んでいるか、銀で構成されている。銀からなる反射層５は、有利には、可視スペクトル領域において高い反射率を有している。さらに、銀は導電性が高いことでも特徴付けられる。前記反射層５を、特にｐ型半導体領域２ｂに当接させ、そのようにすることで発光ダイオードチップ１の半導体層列２の電気的な接続部の１つを形成していてもよい。

銀からなる反射層５においては、この層が比較的腐食しやすいという問題が生じる。このことは特に発光ダイオードチップ１の長期の動作の後で発光効率の低下につながる可能性がある。前記反射層５を腐食から保護するためと、反射層５の材料が後続の層７，８，９へ拡散すること並びにその逆の現象を阻止するために、反射層５の半導体層列２とは反対側の界面に保護層６が設けられる。

この保護層６は、有利には透明導電性酸化物を有する。有利には前記保護層６は、ＺｎＯ、ＺｎＯ：Ｇａ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＧＺＯを含んでいるか、又はそれらからなる。

例えば、白金、チタンのような金属製保護層に比べて、透明導電性酸化物からなる保護層６は、当該保護層６の材料が前記反射層５内に拡散しないという利点を有する。

それにより保護層６の材料が、特に保護層６に相対向している、半導体層列２と反射層５との間の界面に達することはない。従って有利には、保護層６の材料の前記反射層５内への拡散に起因する反射特性の低下、及び／又は電気的な特性の変化、特に順方向電圧が生じることはない。さらに前記保護層６は有利には、前記反射層５から後続する層７，８，９内への銀の拡散も、後続する層７，８，９の特に金などの金属材料が前記反射層５内へ拡散することも阻止する。

保護層６は、好ましくは５ｎｍ〜５００ｎｍの間の厚さ、より好ましくは１０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有する。

保護層６の反射層５とは反対側の界面は、第１の電気的接続層１０に当接している。この第１の電気的接続層１０は、複数の部分層７，８，９を有している。例えば、この第１の電気的接続層１０は、３つの部分層を有している。保護層６から出発して、これらの部分層は、好ましくは白金層７、金層８、及びチタン層９であってもよい。白金層７は特に拡散バリアの機能を有しており、この層は、後続の部分層８，９の成分の保護層６若しくは反射層５への拡散を阻止し、その逆の拡散も阻止している。金層８は、高い導電性に基づいて電流拡散層として機能し、後続のチタン層９は、さらに後続する層、とりわけ電気絶縁層１４のための接着剤層として機能する。

発光ダイオードチップ１は、その他に第２の電気的接続層１５を有しており、この層によって発光ダイオードチップ１はビーム出射面４とは反対側の裏面側の接触接続がなされる。すなわち、第１の電気的接続層１０も第２の電気的接続層１５も、発光ダイオードチップ１の、支持体１９に対向している裏面側に配置されている。この配置構成は、ビーム出射面４がこれらの電気的接続層から開放されるという利点を有する。そのため、発光ダイオードチップ１から放射された電磁ビーム１３は、これらの電気的接続層の１つによって塞がれない。

第１の電気的接続層１０は、有利には半導体層列２のｐ型半導体領域２ｂと接触接続する。また第２の電気的接続層１５は、有利には半導体層列２のｎ型半導体領域２ａと接触接続する。それに対して第２の電気的接続層１５は、発光ダイオードチップ１の裏面側から、１つ以上の貫通孔部２１ａ，２１ｂ（これらの貫通孔部は半導体層列のｐ型半導体領域２ｂと活性層３とを貫通して延在している）を通って半導体層列２のｎ型半導体領域２ａまで延在している。短絡を回避するために、第２の電気的接続層１５は、貫通孔部２１ａ，２１ｂの領域において電気的絶縁層１４により、活性層３と半導体層列２のｐ型半導体領域２ｂとから電気的に絶縁されている。

さらに電気絶縁層１４は、第２の電気的接続層１５を第１の電気的接続層１０から絶縁している。この電気絶縁層１４は、例えば、酸化物層または窒化物層であり、好ましくは酸化ケイ素層、窒化ケイ素層または酸窒化ケイ素層であり得る。

電気絶縁層１４は、少なくとも有利には、前記部分領域において、保護層６と反射層５の側縁１６を覆っている。そのようにして反射層５の側縁１６が有利には腐食から保護される。

第２の電気的接続層１５は、好ましくは銀を含んでいてもよく、それによって特に貫通孔部２１ａ，２１ｂの領域において、発光ダイオードチップ１から放射された電磁ビーム１３に対する第２の反射層としても機能し得る。

第２の電気的接続層１５とはんだ層１８との間には、有利には拡散バリア層１７が配設されている。この拡散バリア層１７は、はんだ層１８の成分が第２の電気的接続層１５内に拡散すること、及びその逆の拡散を阻止している。この拡散バリア層１７は例えばチタンタングステン窒化物を含む。

はんだ層１８を用いて発光ダイオードチップ１は支持体１９上にろう接される。このはんだ層１８は、特にＡｕＳｎを含んでいてもよい。

発光ダイオードチップ１の支持体１９は、例えば、ゲルマニウム支持体またはケイ素支持体であってもよい。発光ダイオードチップ１とは反対側の支持体１９裏面側には接触金属化部２０が被着されてもよい。この接触金属化部２０を介して第２の電気的接続層１５は外部と電気的に接続され得る。

第１の電気的接続層１０は、例えば、ボンディングパッド１１とボンディングワイヤ１２とを介して外部に電気的に接続されてもよい。

本発明は、前述の実施形態に基づく説明によって限定されるものではない。むしろ、本発明は、あらゆる新たな特徴並びにそれらの特徴のあらゆる組み合わせを含むものであり、たとえそれらの特徴や組み合わせ自体が実施例の説明や請求の範囲に明示的に記載されていなかったとしても、これらの複数の特徴のあらゆる組み合わせは特許請求の範囲にも含まれるものであることを述べておく。

Claims (12)

1. 半導体層列（２）を備えた発光ダイオードチップ（１）であって、
   前記半導体層列（２）は、電磁ビーム（１３）を生成するのに適した活性層（３）を有している発光ダイオードチップ（１）において、
   前記発光ダイオードチップ（１）が、前面側においてビーム出射面（４）を有しており、
   前記発光ダイオードチップ（１）は、前記ビーム出射面（４）とは反対側の裏面側において、少なくとも領域毎に反射層（５）を有しており、前記反射層（５）は銀を含んでおり、
   前記反射層（５）には保護層（６）が設けられており、
   前記保護層（６）は、透明導電性酸化物を有し、さらに、
   前記反射層（５）は、前記保護層（６）とは反対側の界面が前記半導体層列（２）に当接しており、
   前記発光ダイオードチップ（１）は、第１の電気的接続層（１０）及び第２の電気的接続層（１５）を有し、
   前記第１の電気的接続層（１０）及び前記第２の電気的接続層（１５）は、前記半導体層列（２）の裏面側に対向し、電気絶縁層（１４）によって相互に電気的に絶縁され、
   前記第２の電気的接続層（１５）の部分領域が、前記半導体層列（２）の裏面側から前記活性層（３）の少なくとも１つの貫通孔部（２１ａ，２１ｂ）を貫通して、前記半導体層列（２）の前面側の方向に延在している、
   ことを特徴とする、発光ダイオードチップ（１）。
2. 前記保護層（６）は、ＺｎＯ、ＺｎＯ：Ｇａ、ＺｎＯ：Ａｌ、ＩＴＯ、ＩＺＯ、又はＩＧＺＯを含んでいる、請求項１記載の発光ダイオードチップ（１）。
3. 前記保護層（６）は、５ｎｍ〜５００ｎｍの間の厚さを有している、請求項１または２記載の発光ダイオードチップ（１）。
4. 前記保護層（６）は、１０ｎｍ〜１００ｎｍの間の厚さを有している、請求項３記載の発光ダイオードチップ（１）。
5. 前記反射層（５）及び／又は前記保護層（６）の側縁（１６）は、少なくとも領域毎に電気絶縁層（１４）によって覆われている、請求項１から４いずれか１項記載の発光ダイオードチップ（１）。
6. 前記電気絶縁層（１４）は、酸化物層又は窒化物層である、請求項５記載の発光ダイオードチップ（１）。
7. 前記保護層（６）の、前記反射層（５）とは反対側に、第１の電気的接続層（１０）が設けられている、請求項１から６いずれか１項記載の発光ダイオードチップ（１）。
8. 前記第１の電気的接続層（１０）は、複数の部分層（７，８，９）から形成されている、請求項７記載の発光ダイオードチップ（１）。
9. 前記部分層（７，８，９）は、前記反射層（５）から出発して白金層（７）、金層（８）、チタン層（９）を含んでいる、請求項８記載の発光ダイオードチップ（１）。
10. 前記反射層（５）に当接している前記半導体層列（２）の領域は、ｐ型半導体領域（２ｂ）である、請求項１から９いずれか１項記載の発光ダイオードチップ（１）。
11. 前記発光ダイオードチップ（１）は、前記反射層（５）から見て前記半導体層列（２）とは反対側が支持体（１９）に接続されている、請求項１から１０いずれか１項記載の発光ダイオードチップ（１）。
12. 前記発光ダイオードチップ（１）は、成長基板を何も有さない、請求項１から１１いずれか１項記載の発光ダイオードチップ（１）。

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